JP4158700B2 - 圧電振動片および圧電振動デバイス - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動片および圧電振動デバイスに関する。

従来の圧電振動子に、例えば、以下に示すような構成からなる水晶振動子がある。

この水晶振動子は、その筐体がパッケージとキャップとから構成されてなる。そして、パッケージ内部には、水晶振動片が搭載されている。

パッケージは、一面を開口させた箱型状体からなる。このパッケージの内部底面の一側部には、水晶振動片を搭載支持する一対の支持体が設けられている。また、この一対の支持体には、下記する水晶振動片の励振電極と導電性接着剤を介して導通する電極が形成されている。

キャップは、板状体からなる。このキャップの外周縁部がパッケージの開口面と接合してパッケージ内部が気密封止される。

水晶振動片は、Ｘ軸方向の辺とＺ’軸方向の辺とから構成される矩形状の水晶板からなる。水晶振動片の両主面には励振電極と、この励振電極を外部電極（支持体に形成された電極）と導通するための接続電極と、励振電極を接続電極に導通させるための引出電極が形成されている。

ところで、従来の技術に、水晶振動片の両主面上における励振電極の位置を設定するものがある（例えば、特許文献１ご参照。）。

この下記する特許文献１に記載の水晶振動片（特許文献１では水晶素板という）の場合、水晶振動片の両主面に形成された励振電極のＸ軸方向の中心位置が、接続電極のＸ軸方向の長さを除いた圧電振動片のＸ軸方向の長さを二等分する位置に設定されている。
特開２００３−１７９７８号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の水晶振動片の構成の場合、直列抵抗値のバラツキが生じる場合がある。これは、水晶振動片の形成時において、水晶板に励振電極を蒸着形成する際に用いる蒸着装置の公差による蒸着バラツキの影響を受けやすいことが原因の一つして挙げられる。

この蒸着装置は、電極用の金属材料の物理蒸着を行なうものであり、真空蒸着法、スパッタリング法により水晶板主面の予め設定した領域に電極を形成するものである。この蒸着装置には、水晶板を配する機械的マスク部が設けられている。この機械的マスク部は、最下部から、磁石を収納する下部シャーシ、下部マスク、水晶板を収納するスペーサ、上部マスク、上部シャーシが順に積層される構成からなる。下部シャーシには位置決めピンが突設され、下部マスク、スペーサ、上部マスクおよび上部シャーシにはそれぞれ位置決めピンを貫通させる同一寸法の貫通孔が設けられている。位置決めピンの貫通孔への貫通により、下部シャーシが他の部材を位置決め保持している。

各貫通孔の寸法は、通常、位置決めピンの寸法より大きく設定されている。そのため、上部マスクおよび下部マスクを介して水晶板の両主面へ電極パターンを形成する際、マスクずれが生じる場合がある。また、複数回蒸着使用による蒸着装置のへたりにより、位置決めピンの貫通孔内の位置ずれや貫通孔の孔径拡大が生じ、その結果、マスクずれが生じる場合がある。すなわち、位置決めピンの位置ずれによるマスク公差や位置決め公差による蒸着バラツキの影響を受けやすくなる。そのため、蒸着バラツキの影響を受けた電極パターンを形成した水晶振動片の直列抵抗値にバラツキが生じる。

そこで、上記課題を解決するために、本発明は、直列抵抗値のバラツキを抑制する圧電振動片および圧電振動子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る圧電振動片は、主面がＸ軸方向とＺ’軸方向とを有する面で構成された板状体であって、両主面の略中央領域に励振電極が形成され、前記両主面の前記Ｘ軸方向の一端部に外部と導通するための接続電極が形成され、前記各主面において前記励振電極と前記接続電極とを導通させる引出電極が形成された圧電振動片において、前記励振電極のＸ軸方向の中心位置は、前記接続電極のＸ軸方向の長さを除いた前記板状体のＸ軸方向の長さを二等分する位置より、前記接続電極側にずれた位置に設定されることを特徴とする。

本発明によれば、励振電極のＸ軸方向の中心位置は、接続電極のＸ軸方向の長さを除いた板状体のＸ軸方向の長さを二等分する位置より、接続電極側にずれた位置に設定されるので、蒸着バラツキの影響を受けずに板状体の主面に電極を形成することが可能となり、その結果、圧電振動片の直列抵抗値のバラツキを抑制することが可能となる。具体的に、蒸着装置のマスクずれによるマスク公差と、位置決めピンの位置ずれによる位置決め公差とに関係なく、励振電極の形成を行なうことが可能となる。また、圧電振動片が水晶振動片であることが好ましい。

また、上記構成において、特に、発振が高次オーバートーン発振であることが好ましく、顕著に上記した効果を得ることができる。

また、上記の目的を達成するため、本発明に係る圧電振動デバイスは、上記した圧電振動片が搭載されたことを特徴とする。

本発明によれば、上記した圧電振動片が搭載されているので、上記した圧電振動片と同様の効果を有することが可能である。また、圧電振動デバイスが、水晶振動子であることが好ましい。

本発明に係る圧電振動片および圧電振動デバイスによれば、直列抵抗値のバラツキを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態では、圧電振動片として水晶振動片に本発明を適用した場合を示す。

本実施の形態にかかる水晶振動子１を図１に示す。

この水晶振動子１は、筐体であるセラミック製パッケージ２（以下、パッケージという）と、振動部である水晶振動片３と、平板状蓋であるキャップ４とからなる。

パッケージ２は、一面が開放された箱形状からなり、この箱型内部の一側部２１には水晶振動片３を載置するための一対の支持体２３が設けられている。この一対の支持体２３には、電極配線（図示省略）が施されている。また、箱型内部の他側部２２には、水晶振動片３を一対の支持体２３に載置する際に水晶振動片３を補助的に支持する、アルミナ等からなる補助支持体２４が設けられている。通常、この補助支持体２４と水晶振動片３との間には、図１に示すように、わずかな間隙が形成されている。そして、このような構成からなるパッケージ２の一面に、接着剤５を介してキャップ４が接合され、パッケージ２内部に載置された水晶振動片３が気密封止される。

水晶振動片３は、ＡＴカット水晶ウエハ（図示省略）から複数個切出し形成された水晶板７をベースとしている。この水晶板７は、各主面７３、７４（図１、２参照）がＸ軸方向の辺７５とＺ’軸方向の辺７６とからなる矩形状に形成されている（本願発明でいう板状体）。

この水晶板７の両主面７３、７４に、蒸着装置（下記参照）を用いてクロム（Ｃｒ）及び金（Ａｕ）が真空蒸着法、あるいはスパッタリング法等により蒸着されることによって、両主面７３、７４に電極パターン８が形成されて、水晶振動片３が形成される。なお、この水晶振動片３の発振は、３次オーバートーン発振で行われる。しかしながら、これに限定されるものではなく、基本波であってもよく、他の高次オーバートーン発振であってもよい。

この両主面７３、７４に形成された電極パターン８は、下記する励振電極８１と接続電極８４と引出電極８５とから構成されている。

励振電極８１は、図１、２に示すように、両主面７３、７４の略中央領域にそれぞれ形成されている。また、両主面７３、７４のＸ軸方向の一端部７１には支持体の電極配線と導通するための接続電極８４が形成されている。また、各主面７３、７４において励振電極８１と接続電極８４とを導通させる引出電極８５が形成されている。

また、励振電極８１のＸ軸方向の中心位置８２は、接続電極８４のＸ軸方向の長さを除いた水晶板７のＸ軸方向の長さを二等分する位置より、接続電極８４側にずれた位置に設定されている。

ところで、水晶板７の両主面７３、７４に電極パターン８を形成するために用いる蒸着装置（図示省略）は、真空チャンバ内に蒸着源およびマスク部を備え、マスク部に水晶板を配して、その後に真空チャンバ内を真空状態にし、蒸着源に配した蒸着物である金属材料を真空蒸着法、あるいはスパッタリング法等により、水晶板の両主面に金属材料を蒸着させて電極パターンを形成するものである。

ところで、この蒸着装置に備えるマスク部には、図３に示すようなものがある。

このマスク部９は、図３に示すように、最下部から、下部マスク９２を押さえるとともに磁石９６を収納する下部シャーシ９１、水晶板７の他主面７４側の導電パターン８を形成するための下部マスク９２、水晶板７を収納するスペーサ９３、水晶板７の一主面７３側の導電パターン８を形成するための上部マスク９４、上部マスク９４を押さえる上部シャーシ９５が順に積層される構成からなる。

下部シャーシ９１には位置決めピン９７が突設されている。また、下部マスク９２、スペーサ９３、上部マスク９４、上部シャーシ９５には位置決めピン９７を貫通させる同一寸法の貫通孔９２１、９３１、９４１、９５１がそれぞれ設けられている。位置決めピン９７の貫通孔９２１、９３１、９４１、９５１への貫通により、下部シャーシ９１が他の部材９２、９３、９４、９５を位置決め保持している。

各貫通孔９２１、９３１、９４１、９５１の寸法は、位置決めピン９７の寸法より大きく設定されている。図４に示すように、水晶板７を収納するスペーサ９３を例にして、その長手方向の両端部９３２、９３３に貫通孔９３１（９３１ａ、９３１ｂ）が形成されている。貫通孔９３１ａの孔径は、矩形状に形成されている。また、貫通孔９３１ｂの孔径は、円形状に形成されている。また、貫通孔９３１ａ、９３１ｂの寸法を比較すると、貫通孔９３１ａの方が貫通孔９３１ｂよりも孔径の寸法が大きい。また、このスペーサ９３を用いて電極パターン８を形成する水晶板７の数は、２０個である。

なお、本実施の形態では、ＡＴカット水晶ウエハ（図示省略）から水晶板７が複数個切出し形成されているが、これに限定されるものではなく、ＡＴカット水晶ウエハから水晶板単体が切出し形成されてもよい。すなわち、本実施の形態では、図３に示すマスク部９を備えた蒸着装置を用いて２０個の水晶板７に対して同時に電極パターン８を蒸着形成可能としているが、これに限定されるものではない。例えば、蒸着装置を用いた１回の蒸着形成は、１個の水晶板７に対して行なってもよい。そのため、本発明は、蒸着装置を用いて任意の水晶板７に対して電極パターン８を蒸着形成可能としている。

そこで、次に、上記したスペーサ９３とは異なる１個の水晶板７のみを収納可能なスペーサ９３ａを用いて、上記した本願発明に係る水晶板７への電極パターン８の蒸着形成と、従来例１の水晶板７への電極パターン８の蒸着形成とを行なう（図５、６参照）。しかしながら、この実施例１の形態は、１個の水晶板７のみ収納可能なスペーサ９３ａを用いているが、上記したように、これに限定されるものではないことはいうまでもない。すなわち、この実施例１は、本発明の効果を説明するために用いた実施例であり、上記したような複数個（２０個）の水晶板７を収納可能なスペーサ９３を用いても同様の結果を得ることができる。

図５に示すように、この実施例１で用いる水晶板７の寸法は、１．９ｍｍ×１．３ｍｍ（Ｘ軸方向×Ｚ’軸方向、以下同様）である。また、励振電極８１は、１．０ｍｍ×０．９ｍｍである。また、接続電極は、０．２５ｍｍ×０．４ｍｍである。さらに、実施例１で用いる水晶振動片３の発振は、基本波発振であり、その周波数は、約２６ＭＨｚである。なお、この実施例１で用いる従来例１の水晶板７の寸法も同様の寸法からなる。また、製造する水晶振動子１の直列抵抗最大値を５０Ωに設定している。

この実施例１に係る水晶板７への電極パターン８の蒸着形成では、図５に示すように、水晶振動片３の両主面７３、７４に形成された励振電極８１のＸ軸方向の中心位置８２が、接続電極８４のＸ軸方向の長さを除いた水晶振動片３のＸ軸方向の長さを二等分する位置より、接続電極８４側に２５μｍずれた位置に設定されている。すなわち、水晶板７の他端部７２端面と励振電極８１の端面８１ａとの距離が３５０μｍである。

また、従来例１の水晶板７への電極パターン８の蒸着形成では、図６に示すように、水晶振動片３の両主面７３、７４に形成された励振電極８１のＸ軸方向の中心位置８２が、接続電極８４のＸ軸方向の長さを除いた水晶振動片３のＸ軸方向の長さを二等分する位置に設定されている。

そして、それぞれ電極パターン８が蒸着形成されて形成された実施例１に係る水晶振動片３と従来例１の水晶振動片３との直列抵抗値をそれぞれ測定し、その測定結果を図７に示す。

図７に示すように、図５に示す水晶板７からなる実施例１に係る水晶振動片３の直列抵抗値の平均値は、２６．７Ωであり、その直列抵抗値バラツキの標準偏差の３倍が１５．５Ωである。これに対し、図６に示す水晶板７からなる従来例１の水晶振動片３の直列抵抗値の平均値は、３１．９Ωであり、その直列抵抗値バラツキの標準偏差（σ）の３倍が３５．１Ωである。従って、そのため、実施例１に係る水晶振動片３の方が、従来例１の水晶振動片３より直列抵抗値のバラツキが少ないことが分かる。

また、この実施例１では、水晶板７の他端部７２端面と励振電極８１の端面８１ａとの距離ｒが３５０μｍである。そこで、この距離ｒと直列抵抗値との関係を測定し、その結果を図８に示す。図８から、直列抵抗値は、距離ｒの増減に伴って増減することが分かり、製造する水晶振動子１の直列抵抗最大値の設定にしたがって、距離ｒを設定することができる。この実施例１では、直列抵抗最大値を５０Ωに設定したため、距離ｒを３４０μｍ以上に設定している。なお、図８に示すＡ線は、近似線を示している。

次に、上記した実施例１とは異なる寸法からなる本発明に係る水晶振動片３を用いる。なお、実施例１と同一の図面（図５、６）を用いてこの実施例２を説明するが、シャーシ９３の水晶板７を収納する寸法をこの実施例２で用いる水晶板７の寸法に対応させている。

図５に示すように、この実施例２で用いる水晶板７の寸法は、２．７ｍｍ×１．４ｍｍ（Ｘ軸方向×Ｚ’軸方向、以下同様）である。また、励振電極８１は、１．８ｍｍ×１．０ｍｍである。また、接続電極は、０．４ｍｍ×０．５５ｍｍである。さらに、実施例２で用いる水晶振動片３の発振は、３次オーバートーン発振であり、その周波数は、約５０．０ＭＨｚである。なお、この実施例２で用いる従来例２の水晶板７の寸法も同様の寸法からなる。

この実施例２に係る水晶板７への電極パターン８の蒸着形成では、図５に示すように、水晶振動片３の両主面７３、７４に形成された励振電極８１のＸ軸方向の中心位置８２が、接続電極８４のＸ軸方向の長さを除いた水晶振動片３のＸ軸方向の長さを二等分する位置より、接続電極８４側に５０μｍずれた位置に設定されている。すなわち、水晶板７の他端部７２端面と励振電極８１の端面８１ａとの距離が３００μｍである。

また、従来例２の水晶板７への電極パターン８の蒸着形成では、図６に示すように、水晶振動片３の両主面７３、７４に形成された励振電極８１のＸ軸方向の中心位置８２が、接続電極８４のＸ軸方向の長さを除いた水晶振動片３のＸ軸方向の長さを二等分する位置に設定されている。

そして、それぞれ電極パターン８が蒸着形成されて形成された実施例２に係る水晶振動片３と従来例２の水晶振動片３との直列抵抗値をそれぞれ測定し、その測定結果を図９に示す。

図９に示すように、図５に示す水晶板７からなる実施例２に係る水晶振動片３の直列抵抗値の平均値は、６５．０Ωであり、その直列抵抗値バラツキの標準偏差の３倍が１０．０Ωである。これに対し、図６に示す水晶板７からなる従来例２の水晶振動片３の直列抵抗値の平均値は、６７．５Ωであり、その直列抵抗値バラツキの標準偏差（σ）の３倍が１７．３Ωである。従って、そのため、実施例１に係る水晶振動片３の方が、従来例２の水晶振動片３より直列抵抗値のバラツキが少ないことが分かる。

また、上記した実施例１では水晶振動片３の発振が基本波発振であり、この実施例２では水晶振動片３の発振が３次オーバートーン発振である。これら実施例１、２を図８、９を参照して比較してみると、実施例２で用いる水晶振動片３の発振の方が直列抵抗値のバラツキが少ないことが分かる。その結果、本発明は、基本波発振よりも３次オーバートーン発振などの高次オーバートーン発振を行なう水晶振動片に適用することが好ましいことが分かる。

上記したように、本実施の形態に係る水晶振動片３、およびこの水晶振動片３を搭載した水晶振動子１によれば、励振電極８１のＸ軸方向の中心位置は、接続電極８４のＸ軸方向の長さを除いた水晶振動片３のＸ軸方向の長さを二等分する位置より、接続電極８４側にずれた位置に設定されるので、蒸着バラツキの影響を受けずに水晶板７に電極パターン８を形成することができる。その結果、水晶振動片３の直列抵抗値のバラツキを抑制することができる。具体的に、蒸着装置のマスクずれによるマスク公差と、位置決めピン９７の位置ずれによる位置決め公差とに関係なく、励振電極８１の形成を行なうことができる。なお、本実施の形態では、圧電振動片に水晶振動片３を用いたため、水晶の直列抵抗値のバラツキを抑制することができたが、これに限定されるものではなく、圧電振動片に用いる材料に応じて、その材料特有の抵抗値のバラツキを抑制することができる。

また、本実施の形態に係る水晶振動子１によれば、上記した水晶振動片３が搭載されているので、上記した水晶振動片３と同様の効果を有することができる。

また、水晶振動片３がパッケージ２に搭載された際、励振電極８１が補助支持体２４から離れる方向に、水晶板７に励振電極８１が形成されることが好ましい。すなわち、励振電極８１と補助支持体２４とが離間することで、励振電極８１による水晶振動片３の発振が、補助支持体２４によって干渉されるのを防止することができる。

なお、本実施の形態では、例えば、図２に示すように、励振電極８１のＸ軸方向の中心位置８２が、接続電極８４のＸ軸方向の長さを除いた水晶板７のＸ軸方向の長さを二等分する位置より、接続電極８４側にずれた位置に設定されている。しかしながら、これに限定されるものではなく、励振電極８１の中心位置が、Ｘ軸方向であって、接続電極８４側にずれていれば、Ｚ’軸方向にもずれていてもよい。すなわち、このＺ’軸方向へのずれは、直列抵抗値の変動に直接関係するものではない。例えば、図１０に示すように、励振電極８１のＺ’軸方向の中心位置８３が、水晶板７のＺ’軸方向の長さを二等分する位置より、どちらか一方の水晶板７のＸ軸方向の辺７５側にずれた位置に設定されたとする。この時のＺ’軸方向へのずれの量に対する直列抵抗値を測定し、その測定結果を図１１に示す。この図１１から分かるように、励振電極８１のＺ’軸方向へのずれの量に対する直列抵抗値の変動は殆どなく、励振電極８１のＺ’軸方向へのずれに対して直列抵抗値の変動に直接関係するものではないことが分かる。なお、図１１に示すＢ線は、近似線を示している。

なお、本実施の形態では、圧電振動デバイスに水晶振動子１を用いているが、これに限定されるものではなく、圧電発振器、好ましくは水晶振動板と発振回路を構成する回路素子を有する水晶発振器であってもよい。

また、本実施の形態にかかる水晶板７が、Ｘ軸方向の辺７５とＺ’軸方向の辺７６とからなる板状体に形成されているが、これに限定されるものではない。すなわち、主面がＸ軸方向とＺ’軸方向とを有する面で構成され、かつ、励振電極のＸ方向へのずれを設定可能であれば、主面が円形からなる板状体などの他の形態であってもよい。

また、本実施の形態では、補助支持体２４をパッケージ２に一体形成しているが、これに限定されるものではなく、別部材であってもよい。また、図１に示すようなパッケージ２の箱型内部の一側部２１端面に接する構成でなくてもよい。

本発明は、電子機器内に備えられる圧電振動片、およびこの圧電振動片を搭載した圧電振動デバイスに適用できる。特に圧電振動片が水晶振動片であるときに好適である。また、圧電振動デバイスが水晶振動子であるときに好ましく利用可能である。

本実施の形態にかかる水晶振動子の内部を公開した側面図である。 本実施の形態にかかる水晶振動片の平面図である。 水晶板に電極パターンを形成するための蒸着装置に備えられたマスク部の平面断面図である。 本実施の形態にかかる水晶振動片のベースとなる水晶板を収納したスペーサの平面図である。 本実施例１にかかる水晶振動片のベースとなる水晶板を収納したスペーサの平面図である。 本実施例１で用いる従来例１にかかる水晶振動片のベースとなる水晶板を収納したスペーサの平面図である。 本実施例１に係る水晶振動片３と従来例１の水晶振動片３との直列抵抗値の測定結果を示すグラフである。 水晶板に形成した励振電極の端面と、水晶板の他端部端面との距離ｒと直列抵抗値との関係を示したグラフである。 本実施例２に係る水晶振動片３と従来例１の水晶振動片３との直列抵抗値の測定結果を示すグラフである。 水晶板に形成した励振電極の中心位置がＺ’軸方向にずれた場合の、水晶振動片の平面図である。 水晶板に形成した励振電極のＺ’軸方向へのずれ量と直列抵抗値との関係を示したグラフである。

符号の説明

１ 水晶振動子（圧電振動デバイス）
３ 水晶振動片（圧電振動片）
７ 水晶板（板状体）
７１ 水晶板の一端部（主面の一端部）
７３、７４ 主面
７５ Ｘ軸方向の辺
７６ Ｚ’軸方向の辺
８２ 励振電極のＸ軸方向の中心位置
８４ 接続電極
８５ 引出電極
９１ 励振電極

Claims (3)

1. 主面がＸ軸方向とＺ’軸方向とを有する面で構成された板状体であって、両主面の略中央領域に励振電極が形成され、前記両主面の前記Ｘ軸方向の一端部に外部と導通するための接続電極が形成され、前記各主面において前記励振電極と前記接続電極とを導通させる引出電極が形成された圧電振動片において、
   前記励振電極のＸ軸方向の中心位置は、前記接続電極のＸ軸方向の長さを除いた前記板状体のＸ軸方向の長さを二等分する位置より、前記接続電極側にずれた位置に設定されることを特徴とする圧電振動片。
2. 請求項１に記載の圧電振動片において、
   発振が、高次オーバートーン発振であることを特徴とする圧電振動片。
3. 請求項１または２に記載の圧電振動片が搭載されたことを特徴とする圧電振動デバイス。

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